(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導コイル（１２）を充放電させるためのシステムであって、
低電圧バス（２０）及び高電圧バス（２２）に結合され、電圧を低電圧から高電圧に上昇させるように構成されたブーストコンバータ（１６）と、
前記高電圧バスに結合されたエネルギー蓄積素子（３０）と、
前記高電圧バス（２２）に結合された第１の二象限バックコンバータ（１８）であって、該第１の二象限バックコンバータ（１８）が、一対の第１の固体スイッチ（３２、３４）及びそれぞれの第１のフライバックダイオード（３６、３８）を含む、前記第１の二象限バックコンバータ（１８）と、
前記高電圧バス（２２）に結合された二象限冗長バックコンバータ（４８）であって、該二象限冗長バックコンバータ（４８）が一対の固体スイッチ（５０、５６）及びそれぞれのフライバックダイオード（５２、５４）を含み、前記第１の二象限バックコンバータ（１８）のスイッチングタイミングに対して１８０度ずらしたスイッチングタイミングで作動する、前記二象限冗長バックコンバータ（４８）と、
前記ブーストコンバータ（１６）及び前記第１の二象限バックコンバータ（１８）に制御信号を与えて、前記超伝導コイル（１２）の電流反転ではなく電圧極性反転モードで前記一対の第１の固体スイッチ（３２、３４）をスイッチングさせて選択的に前記エネルギー蓄積素子から前記超伝導コイル（１２）を充電しまた前記エネルギー蓄積素子（３０）に対して前記コイルを放電させるようにするコントローラ（１１２）と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記エネルギー蓄積素子（３０）が、コンデンサである、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ブーストコンバータ（１６）が、インダクタ（２４）及び固体スイッチ（２６）を含む、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記インダクタ（２４）が、電源（１４）と直列に結合され、前記固体スイッチ（２６）が、前記電源と並列に結合される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記電源（１４）がバッテリ又は、２７０ボルト直流航空機バスである、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記冗長バックコンバータ（４８）と前記第１の二象限バックコンバータ（１８）のスイッチングタイミングを互いに位相を１８０度ずらして作動させるインタフェース・リアクトル（４６）を備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記コイル（１２）と並列に結合された制動素子（４２）をさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記制動素子（４２）が、抵抗及び可制御スイッチを含む、請求項７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には超伝導コイルのような高インダクタンス・低インピーダンス負荷用の電源に関する。本発明は、例えば電気機械、より具体的には超伝導機械のような大きな界磁インダクタンスを有する機械用の界磁エキサイタで使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
高インダクタンス・低インピーダンス機械は、高速の界磁電流応答を得るために高電圧を必要とする。高電圧は一般的に、短時間必要とされるだけであり、そのようにする必要性がない時には高電圧の印加を回避するのが有利である。さらに、幾つかの用途では、直流低電圧だけが使用可能であり、従って直流低電圧電源から負荷用の高電圧を生成する必要性がある。
【特許文献１】米国特許第６，０３１，７４６号公報
【特許文献２】米国特許第６，０６６，９０６号公報
【特許文献３】米国特許第６，１１１，４９０号公報
【特許文献４】米国特許第６，１２８，１７４号公報
【特許文献５】米国特許第６，２７８，２１２号公報
【特許文献６】米国特許第６，３５９，３６５号公報
【特許文献７】特開平０１−０５０３４９号公報
【特許文献８】特開昭５６−０９５０００号公報
【特許文献９】特開昭５７−０６０８０８号公報
【特許文献１０】特開昭５７−０６０８０９号公報
【特許文献１１】特開昭６３−３１０３６６号公報
【特許文献１２】特開平０４−０７９８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来型の位相制御サイリスタ界磁エキサイタは、重量が大きくかつ比較的低速である。当技術分野では、超伝導コイル及び巻線を含む電気機械を励起するための改良型の装置に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、単一の低電圧電源から可変電圧レベルを得るのを可能にする効率的、小型かつ軽量の界磁エキサイタを提供する。加えて、高速度の電流変更が必要な時にだけ高電圧に切り替えてスイッチング損失を低減する仕組みを提供する。低電圧バスは、大部分の定常状態作動時に使用され、従ってストレスを低減しかつ効率を増大させる。
【０００５】
超伝導コイルを充放電させる、低いスイッチング損失を有する軽量かつ効率的な界磁エキサイタを提供する。本構成は、二象限バックコンバータと直列になったブーストコンバータを含む。ブーストコンバータは、低電圧を高電圧に変換する。特定の時点におけるコイルの特定の要求に応じた範囲の電圧レベルを、超伝導コイルに供給することができる。ブーストコンバータ及びバックコンバータは連携して、超伝導負荷に対して適切な電圧レベルを供給する。例えば、高速度の界磁応答が必要となった場合には、高電圧を生成することができ、一方、高電圧に対する必要性がない場合には、電源から低電圧を供給することができる。さらに、コイルは、電流の方向を変更せずに放電させることができる。
【０００６】
本発明は、幾つかの重要な利点を有する。第１に、軽量かつ小型の設計により、スペースが制限されかつ重量が問題となる航空機でのような用途における使用が可能になる。加えて、低電圧電源又はバスのみを使用してコイルに高電圧を供給することができることは、航空機直流バスのような低電圧電源だけが使用可能な場合に有利である。本発明はまた、出力電圧におけるリップルを極めて低くしてコイルのクエンチング（励磁消滅）を防止して、付加的なフィルタの必要性を排除し、従ってサイズ及び重量を減少させる。最後に、スイッチング損失が低減されて、回路をさらに効率的なものにする。
【０００７】
付加的な効用をもたらす幾つかの構成を開示する。１つの構成は、出力におけるリップルをさらに低下させるバックコンバータの冗長性を提供する。この冗長性はまた、バックコンバータの１つが故障した場合に、他のバックコンバータが依然として作動してコイルに適切な電圧レベルを供給することができるという安全性水準をもたらす。別の構成は、コイルに印加される電圧の全体調整及び微調整機能を提供する。これは、高電圧ブースタブリッジを低電圧サプライヤブリッジと積重ねることによって実現される。さらに別の構成は、マルチレベル界磁エキサイタが、バッテリを回生するか又は過剰電力を電源バスに還流させることを可能にする。これらの構成は代表的な構成であり、本発明は、本明細書では具体的に説明しない他の多くの構成及び用途を有することができる点を理解されたい。
【０００８】
本発明の上述の及び他の特徴、態様及び利点は、図面を通して同じ参照符号が同様な部分を示している添付の図面を参照して上記の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、超伝導コイル１２に励磁電流を供給するための電源回路１０を概略的に示す。回路１０は、ブーストコンバータ１６及びバックコンバータ１８を含む。ブーストコンバータ１６は、低直流電圧を高直流電圧に変換する。低電圧直流電力は、低電圧直流バス２０上に供給され、一方、高電圧直流電力は、高電圧直流バス２２上に出力される。
【００１０】
ブーストコンバータ１６は、インダクタ２４及び固体スイッチ２６を含む。スイッチ２６は、直流バスとの間に結合され、一般的にパルス幅変調方式でスイッチングされて、下記で説明するように低電圧バス２０からの電力を高電圧直流バス２２に印加される高電圧に変換することができる。コンデンサ３０は、固体スイッチ２６に電気的に並列に結合され、より高い電圧を蓄積する。ダイオード２８は、高電圧直流バス２２からブーストコンバータ１６への電流の逆流を防止する。
【００１１】
バックコンバータは、第１のバックコンバータ固体スイッチ３２、第２のバックコンバータ固体スイッチ３４及びそれらのスイッチの周りに結合された一対のフライバックダイオード３６、３８を含む。コイルは、第１及び第２のバックコンバータ固体スイッチ３２、３４のスイッチングに従って充電されるか又は放電される。当業者には分かるように、この図示した実施形態では、バックコンバータは二象限コンバータであり、このことは、第１及び第２のバックコンバータ・スイッチが電流反転ではなく電圧極性反転方式でスイッチングされることを意味する。
【００１２】
通常作動時には、ブーストコンバータ１６は、直流電源１４に結合される。直流電源１４は、図ではバッテリとして示しているが、あらゆる低電圧電源とすることができる。図示するように、コントローラ１１２は、ブーストコンバータ１６のスイッチ２６のゲート並びにバックコンバータ１８のスイッチ３２及び３４に制御信号を与えるように電気的に接続されて、コイル１２を励磁するのに必要な電圧を提供するようにする。具体的には、コントローラ１１２によるブースト固体スイッチ２６のパルス幅変調（ＰＷＭ）は、高電圧直流バス２２のためのコンデンサ３０内に所望の高電圧を形成する。コイル１２を充電する時には、コンデンサ３０は、放電してバックコンバータに電圧を供給する。
【００１３】
十分な高電圧がコイルに供給されるようにするために、コントローラ１１２は、第１のバックコンバータ固体スイッチ３２及び第２のバックコンバータ固体スイッチ３４を共にスイッチングさせる。第１及び第２のバックコンバータ固体スイッチのいずれかが、スイッチの他方の各スイッチングサイクルの間に繰り返してスイッチングオン及びオフされる場合には、コイル１２に供給される電圧のレベルは低下する。加えて、コントローラ１１２は、スイッチング損失を分散させるために、第１及び第２のバックコンバータ固体スイッチをスイッチングするのを交互にすることができる。コイル１２の界磁電流は、公知の電流ヒステリシス帯域制御法又は他のあらゆる適当な方法を用いて制御することができる。
【００１４】
第１及び第２のバックコンバータ固体スイッチ３２、３４はまた、コイル１２を放電させるのに使用される。これは、コントローラ１１２がコイル１２に印加される電圧を減少させるようにそれら固体スイッチ３２、３４をスイッチングさせることによって達成される。コイル１２は一定の電流を維持しようとし、コイル１２の両端の極性が反転する。しかしながら、上述のように、バックコンバータ１８からの電流の方向は反転しない。
【００１５】
コイル１２が放電する時に、コンデンサ３０は充電される。コンデンサが放電に対処できない場合には、コントローラ１１２は、固体スイッチ４０をオンに切り替え、それによって、コイル１２に並列に接続された制動抵抗４２が過剰な電力を熱として消散させるのを可能にすることができる。具体的には、例えばサイリスタとすることができるスイッチ４０は、そのような放電期間の間にオンに切り替わって、抵抗４２による抵抗損失によって電荷を消散させることができる。通常作動時又は充電期間の間には、スイッチ２６、３２及び３４と同様にコントローラ１１２によって制御することができるサイリスタ４０は、非導通状態になっており、そのため制動抵抗４２は、回路から電力を排出しなくなる。
【００１６】
上述の界磁エキサイタ回路１０によって、様々な利点が得られる。例えば、界磁エキサイタ回路１０は、低電圧電源から高電圧を生成するのを可能にする。低電圧から高電圧を生成することは、幾つかの利点を有する。第１に、それは、低電圧だけが使用可能である場合の超伝導コイルの界磁励起を可能にする。第２に、高電圧は、必要性がある時にだけ生成し、従って回路及びその構成要素のストレス及びスイッチング損失を低減することができる。
【００１７】
加えて、ブーストコンバータ固体スイッチ２６は、高周波（例えば１００ｋＨｚ）でスイッチングされ、そのことによってブーストコンバータ１６を小型にし、従って界磁エキサイタのサイズ及び重量を減少させるのを可能にする。従来型のサイリスタ制御界磁エキサイタ回路と比較してより軽量かつより小型サイズであることは、大きな利点をもたらす。バックコンバータ固体スイッチはまた、コントローラ１１２によって高周波（例えば１００ｋＨｚ）でスイッチングされる。このことは、出力電圧におけるより高速な応答及び極めて低いリップルをもたらす。リップルは、回路の効率を低下させ、場合によってはコイルのクエンチングを引き起こす可能性がある。最後に、コントローラ１１２は、バックコンバータ固体スイッチを交互方式で交代させることができる。そのような交代は、スイッチング損失を分散させ、従ってスイッチに過剰な熱エネルギーが蓄積するのを防止することによってスイッチング損失を低減する。
【００１８】
本明細書では可制御スイッチとしてのサイリスタの使用を説明しているが、本発明は、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等のような他のスイッチも同様に使用しかつ制御することができることに注目されたい。このタイプの特定のスイッチは、それらが電流をゼロに減少させる必要なしで自由にオフに切り替えることができるという付加的な利点をもたらすことができる。このことにより、電源スイッチを切った後に、制御をより迅速に再開させることができる。超伝導コイルの場合には、電流をゼロに減少させることにより、それを放電させるのに使用する抵抗値に応じて、幾らかの遅延が必要になる可能性がある。
【００１９】
図２は、界磁エキサイタが冗長バックコンバータ４８を有すること以外は図１に示すエキサイタと同様である冗長界磁エキサイタ回路４４を示す。冗長バックコンバータ４８は、第１及び第２の冗長固体スイッチ５０、５２並びに第１及び第２の冗長フライバックダイオード５４、５６を含む。インタフェース・リアクトル４６は、冗長バックコンバータ４８が第１のバックコンバータと並行して作動するのを可能にする。通常作動時には、コントローラ１１２は、２つのバックコンバータを互いに位相を１８０度ずらして作動させる。コントローラ１１２をスイッチと接続するラインは、明瞭化のために省略している。
【００２０】
冗長エキサイタ回路４４は、図１に説明した構成の利点の全てを保持するが、またリップルをさらに低下させる。前に説明したように、このことは、効率を増大させ、コイル１２におけるクエンチングの可能性を低下させる。さらに、冗長エキサイタ回路４４は、システムが特別の信頼性を要求されるような特定の用途に一層適しているといえる。そのような場合には、冗長性によって、バックコンバータの１つが故障した場合に他方が作動し続けることが可能となる。バックコンバータの１つの故障は、１８０度位相がずれている両方のバックコンバータの作動と比較してコイル内のリップルを増大させることになる。リップルの増大は、バックコンバータの１つがもはや正常に作動していないことのインジケータとして使用することができる。
【００２１】
図３は、マルチレベル界磁エキサイタ回路５８を示す。マルチレベル界磁エキサイタ回路５８は、高電圧ブースタブリッジ６０及び低電圧サプライヤブリッジ６２を含む。マルチレベル界磁エキサイタ回路は、コイル１２に高電圧バス２２と低電圧バス２０との電圧レベル間に必要なあらゆる電圧レベルを供給することを可能にする。他の構成におけるのと同様に、ブーストコンバータは、高電圧バス２２の高電圧レベルを得るために使用される。
【００２２】
高電圧ブースタブリッジ６０は、高電圧バス２２、低電圧バス２０及び低電圧サプライヤブリッジ６２に結合される。高電圧ブースタブリッジは、第１のブースタ固体スイッチ６４、放電固体スイッチ６６並びに第１及び第２のブースタ・フライバックダイオード６８、７０を含む。低電圧サプライヤブリッジ６２は、低電圧バス２０、コイル１２及び高電圧ブースタブリッジに結合される。低電圧サプライヤブリッジは、第１のサプライヤ固体スイッチ７２、第２のサプライヤ固体スイッチ７４並びに第１及び第２のサプライヤ・フライバックダイオード７６、７８を含む。他の構成におけるのと同様に、コントローラ１１２は、様々な固体スイッチのゲートに接続されるが、しかしながら、コントローラ１１２を様々なスイッチと接続するラインは、明瞭化のために省略している。
【００２３】
上述したように、マルチレベル界磁エキサイタ回路５８は、コイル１２に高電圧バス２２と低電圧バス２０との電圧レベル間のあらゆる電圧レベルを供給するのに使用することができる。コイル１２に最大電圧レベルを供給するために、コントローラ１１２は、第１及び第２のサプライヤ固体スイッチ７２、７４をオンにした状態で、ブースタ固体スイッチ６４をオンに切り替える。高電圧ブースタブリッジ６０の放電固体スイッチ６６は、オフのままである。高電圧レベルと低電圧レベルとの間の電圧レベルを得るのに多数の方法がある。コイル１２に供給される電圧レベルの全体制御は、コントローラ１１２で第１及び第２のサプライヤ固体スイッチ７２、７４をオンにスイッチングした状態でブースタ固体スイッチ６４をＰＷＭスイッチングするによって行うことができる。微調整は、コントローラ１１２で第１及び第２のサプライヤ固体スイッチ７２、７４をＰＷＭスイッチングするによって達成することができる。最も重要なことは、コイル１２に供給する電圧を、コントローラ１１２で様々な固体スイッチをスイッチングすることによって制御しかつ特定の時点における負荷に対応させることである。
【００２４】
放電固体スイッチ６６及び第１のブースタ・フライバックダイオード６８は、コイル１２を放電させるのに使用される。コイル１２を放電させるために、コントローラ１１２は、放電固体スイッチ６６をオンに切り替えかつブースタ固体スイッチ６４並びに第１及び第２のサプライヤ固体スイッチ７２、７４をオフに切り替える。次に、界磁コイルは、コンデンサ３０に対して排出することができる。ここでも、放電は、電流の方向を変更せずに生じる。極性だけが、コイル１２の両端で変化する。
【００２５】
上記したように、コイル１２はまた、該コイルと並列に接続された制動抵抗４２に対して放電することができる。マルチレベルエキサイタ回路５８は付加的に、任意選択的な消散抵抗８０及び消散固体スイッチ８２を含む。消散抵抗８０は、コイル１２が放電している時の電荷をコンデンサ３０が吸収できない場合に、使用することができる。消散固体スイッチ８２がコントローラ１１２によって導通状態にされると、消散抵抗８０は、過剰な電荷を熱の形態で消散させる。
【００２６】
マルチレベルエキサイタ回路５８は、リップルの低下、サイズ及び重量の減少並びにスイッチング損失の低減のような上記の利点をもたらす。加えて、マルチレベルエキサイタ回路５８は、コイル１２に供給する電圧の微調整及び全体制御（調整）を可能にする。電圧全体にわたってそのようなそのような全体調整及び微調整を行う１つの利点は、それが必要な時だけに高電圧を使用することになるので、構成要素の磨耗及び裂傷が減少することである。
【００２７】
図４は、回生回路を示す。回生回路８４の機能及び構造は、該回生回路８４が回生固体スイッチ８６及び回生固体フライバックダイオード８８を有すること以外は、マルチレベルエキサイタ回路５８と同一である。回生固体スイッチ８６及び回生フライバックダイオード８８は、ブーストコンバータに並列に結合され、高電圧バス２２からの電圧を電源又はシステムバスのレベルに低下させるバックコンバータとして作用する。回生は、コイル１２が放電している時に生じる。
【００２８】
図５は、低電圧を高電圧に変換する直流／直流コンバータ９０を使用したマルチレベルエキサイタを示す。直流／直流コンバータ９０は、低電圧バス２０と高電圧バス２２との間に結合される。積重ねたブリッジは、その各々が一対の固体スイッチ及びそれぞれのフライバックダイオードを有する、バックコンバータ、高電圧バス・コンバータ９２及び低電圧バス・コンバータ９４である。スイッチのゲートは、コントローラ１１２に接続される。コントローラ１１２をゲートに接続するラインは、明瞭化のために省略している。スイッチは、前に説明したようにコントローラ１１２によってＰＷＭスイッチングされて、コイル１２に必要な電圧を供給する。例えば、高電圧バスからコイル１２に十分な高電圧を供給するために、コントローラ１１２は、固体スイッチの全てを導通状態にする。コンデンサ３０に対して放電するために、コントローラ１１２は、第１の低電圧バス固体スイッチ１０４及び第２の低電圧固体スイッチ１０６を導通状態にした状態で第１の高電圧バス固体スイッチ９６及び第２の高電圧バス固体スイッチ９８の両方を非導通状態にする。電流は、コイルから、低電圧バス・コンバータ固体スイッチ及び低電圧バス・フライバックダイオードの両方を通りまた第１の高電圧バス・フライバックダイオード１００を通って直流リンクコンデンサ３０に流れる。
【００２９】
この構成は、前に説明した回路と同一の利点の多くをもたらす。例えば、直流／直流コンバータが双方向性である場合には、コンバータは、システムバスを回生させるのに使用することができる。さらに、高電圧は、低電圧電源／バスから得ることができ、その時点での必要性に従った範囲の電圧をコイルに供給することができる。
【００３０】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者は、多くの修正及び変更を思いつくであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、本発明の技術思想の範囲内に属する全てのそのような修正及び変更を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の態様による、ブーストコンバータ及びバックコンバータを使用して超伝導コイルを充放電させるための界磁エキサイタを概略的に示す図。
【図２】本発明の態様による、超伝導コイルを充放電させるように構成された例示的な冗長回路を概略的に示す図。
【図３】本発明の態様による、マルチ電圧レベルを供給して超伝導コイルを充放電させるように構成された例示的な回路を概略的に示す図。
【図４】本発明の態様による、マルチ電圧レベルを供給して超伝導コイルを充放電させかつ電源を回生するように構成された例示的なスイッチング回路を概略的に示す図。
【図５】本発明の態様による、低電圧を高電圧に変換するための積重ねブリッジ及び直流／直流コンバータを含む例示的な回路を概略的に示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１０  界磁エキサイタ回路
１２  コイル
１４  直流電源
１６  ブーストコンバータ
１８  バックコンバータ
２０  低電圧直流バス
２２  高電圧直流バス
２４  インダクタ
２６  固体スイッチ
２８  順方向バイアスダイオード
３０  コンデンサ
３２  第１のバックコンバータ固体スイッチ
３４  第２のバックコンバータ固体スイッチ
３６  第１のバックコンバータ・フライバックダイオード
３８  第２のバックコンバータ・フライバックダイオード
４０  サイリスタ
４２  制動抵抗
４４  冗長エキサイタ回路
４６  インタフェース・リアクトル
４８  冗長バックコンバータ
５０  第１の冗長固体スイッチ
５２  第２の冗長固体スイッチ
５４  第１の冗長フライバックダイオード
５６  第２の冗長フライバックダイオード
５８  マルチレベル界磁エキサイタ
６０  高電圧ブースタブリッジ
６２  低電圧サプライヤブリッジ
６４  高電圧固体スイッチ
６６  放電固体スイッチ
６８  第１の高電圧ブースタブリッジ・フライバックダイオード
７０  第２の高電圧ブースタブリッジ・フライバックダイオード
７２  第１の低電圧サプライヤブリッジ固体スイッチ
７４  第２の低電圧サプライヤブリッジ固体スイッチ
７６  第１の低電圧サプライヤブリッジ・フライバックダイオード
７８  第２の低電圧サプライヤブリッジ・フライバックダイオード
８０  電力消散抵抗
８２  電力消散固体スイッチ
８４  回生マルチレベルエキサイタ回路
８６  回生固体スイッチ
８８  回生フライバックダイオード
９０  直流／直流コンバータ
９２  高電圧バス・バックコンバータ
９４  低電圧バス・バックコンバータ
９６  第１の高電圧バス固体スイッチ
９８  第２の高電圧バス固体スイッチ
１００  第１の高電圧バス・フライバックダイオード
１０２  第２の高電圧バス・フライバックダイオード
１０４  第１の低電圧バス固体スイッチ
１０６  第２の低電圧バス固体スイッチ
１０８  第１の低電圧バス・フライバックダイオード
１１０  第２の低電圧バス・フライバックダイオード
１１２  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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